(1)
Source of information: http://www.kmi.kherson.ua/downloads/isdmit2005_4.pdf
Задача выбора безопасной траектории движения судна при маневрировании в узкостях, в условиях сложного рельефа дна, а также наличии движущихся и неподвижных судов в зоне маневра является одной из ключевых и наиболее сложных задач судовождения. Ее можно рассматривать как многошаговую и многокритериальную задачу управления судном в условиях динамически изменяющейся ситуации принятия управленческих решений. Решение поставленной задачи требует обработки больших объемов информации о ситуации в районе маневрирования в реальном масштабе времени. Для получения такой информации большинство современных судов оснащены специализированными радиолокационными системами прокладки курса (ARPA – Automatic Radar Plotting Aids), которые существенно упрощают работу штурмана, постоянно обеспечивая его графической интерпретацией текущей навигационной ситуации [1]. Однако, данные системы решают преимущественно задачу информационного обеспечения, оставляя вопросы расчета требуемых маневров и принятия решений по управлению судном исключительно в компетенции судоводителя. Успешность маневрирования при этом находится в прямой зависимости от уровня его профессиональной подготовки, интуиции, физиологического состояния и ряда других факторов. Очевидно, что в сложившихся условиях повышение безопасности судовождения может быть достигнуто в случае использования в цепочке «ARPA-судоводитель» еще одного звена – системы поддержки принятия решений (СППР) по выбору безопасной траектории судна. Предлагаемая СППР является самостоятельной системой, не связанной аппаратно с ARPA, а только использующей ее как источник навигационной информации. Основной ее задачей становится автоматизация расчетов маневров на расхождение, осуществляемая одновременно с количественной оценкой уровня рисков возможного столкновения для каждого маневра. Ввод исходных данных и реализацию одного из рекомендуемых вариантов маневрирования осуществляет штурман.
Разрабатываемая СППР должна обеспечить решение следующих задач: выбор оператором (штурманом корабля) правильного маневра в условиях динамически изменяющейся навигационной ситуации и ограничений по времени, совершенствование его профессиональных навыков, приобретение новых знаний относительно того, как следует действовать в аналогичных ситуациях в случае их возможного повторения в будущем.
Принимая во внимание определенные ограничения, существующие в районе маневрирования, такие как береговая линия, рельеф дна, стационарные объекты, другие суда, задача избегания столкновений на море сводится к динамической оптимизационной задаче с статическими и динамическими ограничениями. Такая задача является NP сложной, а наличие динамических ограничений существенно осложняет процесс ее решения в режиме реального времени, и требует использования принципиально новых методик, а также технических и программных средств. Анализ ряда существующих работ в данной предметной области [2,3,4] показывает, что для ее решения могут быть использованы методы нелинейного программирования, сужения пространства поиска путем формирования матрицы допустимых маневров для анализируемой ситуации, механизмы нечеткой классификации ситуаций. Наиболее перспективным подходом к решению рассматриваемой многокритериальной динамической оптимизационной задачи является использование методов эволюционного моделирования. Применение эволюционной технологии отыскания оптимальной траектории судна по сравнению с другими существующими подходами, дает ряд преимуществ: универсальность, возможность проведения всех необходимых расчетов в режиме реального времени, возможность одновременного отыскания нескольких субоптимальных решений, отсутствие необходимости внесения существенных корректировок в алгоритм решения задачи при изменении исходных данных (числа объектов возможного столкновения) [5].
Главной целью настоящей статьи является разработка теоретических положений и методологии решения задачи расхождения судов методами эволюционного моделирования с последующей их реализацией в модулях СППР по выбору безопасной траектории движения судна в условиях возможного столкновения.
Пусть в соответствии с запланированным маршрутом судно должно пройти путь R0 за некоторое предполагаемое время, избегая в процессе плавания столкновения с подвижными и неподвижными препятствиями. Выбор возможной траектории движения судна в этих условиях представляет собой сложный компромисс между необходимостью отклонения от выбранного курса и безопасностью плавания. Практически уровень опасности столкновения на протяжении всего маршрута непостоянен и, в общем случае, зависит от двух основных параметров: Rвс – расстояния до точки возможного столкновения и Tвс – времени до момента возможного столкновения. Эти параметры, в свою очередь, зависят от исходного расстояния между судами, их скоростей и курсов. Каждый объект возможного столкновения (подвижный или неподвижный) описывается следующими параметрами: пеленг, скорость, расстояние и курс.
Оценка собственной траектории судна в ситуации столкновения состоит в определении пути Z, как части заданного маршрута R0, от текущей позиции (стартовой точки) (x0, y0) є R0 до конечной точки (xk, yk) є Rk. Этот путь представляет собой последовательность элементарных отрезков zi (i = 1,...,n), связанных друг с другом точками поворота (xi, yi) . Выбор стартовой и конечной точек зависит от видимой линии горизонта и определяется штурманом. Ограничения текущей ситуации определяются как:
(1)
Статические и динамические ограничения решаемой задачи могут представлены соответственно множествами: Si, (i=1,...,k) и Di(t), (i =k+1,...,m). Тогда область безопасных (без возможности столкновений) путей может быть определена как:
(2)
Таким образом, путь Z безопасен (Z є Zb), если каждый его сегмент zj (j = 1,...,n) , удовлетворяющий ограничениям текущей ситуации X, не пересекает статических ограничений Si и в течение интервала времени t, считая от текущего момента, судно не пересечет ни одной области Di(t), характеризующей динамические ограничения задачи. Пути, пересекающие ограничительные области, определенные статическими и динамическими ограничениями, являются ненадежными, или опасными путями. Задача выбора собственной траектории судна в ситуации столкновения решается с помощью эволюционного поиска безопасных траекторий движения в пространстве Х возможных траекторий, с последующим выбором оптимального или субоптимального пути Zo из множества Zб в соответствии с имеющейся целевой функцией. Целевая функция (фитнесс функция) выбирается исходя из критериев максимальной безопасности и экономичности маршрута движения судна.
Изначально предполагается, что судно движется с постоянной и известной скоростью из начальной точки (x0, y0) в конечную точку (xk, yk). Исходя из направления и скорости движения других судов, а также расположения препятствий в районе маневрирования, определяются возможные точки столкновений (xвс, yвс) для каждого объекта. Зная длину сегмента маршрута от стартовой точки (x0, y0) до точки возможного столкновения (xвс, yвс), а также текущую скорость судна, можно определить интервал времени tвс, необходимый для достижения этой точки и вероятность возможного столкновения с объектом, исходя из расстояния, которое будет между ним и судном в момент их приближения к точке (xвс, yвс).
Представление множества возможных путей движения судна и выбор из них осуществляется с помощью генетического алгоритма. При кодировании в хромосомы вносится информация о курсе и скорости движения судна. Генерируя новые популяции и применяя к ним фитнесс функцию, определяем множество возможных маршрутов движения, как множество маршрутов, удовлетворяющих ограничениям Si и Di(t). Ввиду того, что маневр курсом предпочтительней маневра скоростью, вначале модифицируются только те участки хромосом, которые кодируют курс судна, и далее, в случае недостижения требуемого результата – кодирующие скорость. Критерием останова служит достижение оценки уровня риска возможного столкновения ниже заданного порогового значения. Полученное множество субоптимальных маршрутов предоставляется штурману в качестве рекомендации СППР.
Разработка отдельных модулей СППР и их предварительное тестирование позволяют сделать следующие выводы. Эволюционные алгоритмы вполне могут эффективно использоваться в качестве инструментария для решения задач избежания столкновений на море, так как позволяют получать одновременно множество субоптимальных решений в достаточно короткое время (несколько секунд). Задача эволюционной оценки собственной траектории судна в этом случае сводится к адаптивному поиску в множестве безопасных траекторий, определяемого путем наложения на множество возможных маршрутов множеств статических и динамических ограничений с последующим выбором оптимальной траектории согласно имеющейся фитнесс функции. Перспективным направлением дальнейших исследований является определение безопасной траектории судна в условиях, когда другие суда движутся встречными курсами, существенно изменяя при этом скорость своего движения.